03 noviembre 2012

Descripción de las técnicas disponibles para medir la corriente eléctrica (3ª PARTE)


Ver 2ª PARTE

El transformador de corriente

Consideremos el magnetismo de un núcleo toroidal de material de alto μ a través del que pasa un conductor que transporta corriente. Incluye un devanado secundario de n vueltas como se muestra en la siguiente figura. El devanado secundario es conectado a una carga de resistencia baja.

La corriente en el secundario exactamente equilibra corriente en el primario de una única vuelta de forma que el flujo magnético en el núcleo es cero

En este transformador de corriente, universalmente referido a un CT, la corriente alterna en el primario de una única vuelta intenta magnetizar el núcleo pero al hacerlo, crea una FEM y corriente en el secundario que tiende a cancelar el campo. Si el secundario tiene una corriente auténticamente cero, la corriente exactamente cancela el campo debido al primario. El resultado es una corriente secundaria que es igual a la corriente del primario dividida por el número de vueltas del secundario. La corriente del secundario está en fase con la corriente del primario. Debido a un bucle magnético estrechamente cerrado, hay poco efecto desde los conductores cercanos o posición del conductor primario en el hueco.

El circuito secundario puede ahora ser conectado a un dispositivo sensor de potencia o corriente de baja resistencia con garantías de calibración. Pero la resistencia del secundario nunca es realmente cero y el acoplamiento magnético nunca es perfecto, así que hay otras consideraciones.

Primero, se introdujo el concepto de carga secundaria. Se le llamó así para evitar llamarlo carga debido a que se comporta diferentemente; la mejor carga es un cortocircuito. La carga a veces se expresa como una resistencia secundaria en ohmios, pero más a menudo como una potencia equivalente en kVA para una corriente definida sin consideración de fase. Cuando la carga no es un cortocircuito perfecto, la energía se disipa y el campo magnético presente en el núcleo no será cero. La corriente secundaria lleva a la corriente primaria con una fase que depende de la frecuencia.

Los fabricantes de CTs tienen técnicas para optimizar la exactitud del CT cuando es especificado para una carga particular. Las unidades terminadas pueden no tener el número de vueltas secundarias que uno esperaría, pero de ningún modo proporcionaría resultados exactos. Tienen laminaciones seleccionadas para minimizar el calentamiento del núcleo. Podremos ver ratios como 100:5, lo cual significa que 100 A en el primario producirá 5 A en el secundario. Se instalarán en un circuito que proporcione la carga para la cual fueron calibrados. El voltaje a través de una resistencia de carga es comúnmente ampliado y pasa a un dispositivo de captación de datos. CTs para grandes corrientes necesitan ser grandes para eludir la saturación magnética cuando están cargados.

Los núcleos están preparados con láminas de hierro silicio en forma de discos, anillas concéntricas o cinta que se devana en una bobina. Incluso con el mejor de los materiales, están presentes corrientes parásitas y pérdidas de histéresis. Cuando la disipación de potencia no es aceptable, otra elección de sensor puede ser preferible.

La mayoría de los CTs se usan para medir energía y potencia de baja frecuencia. La corriente de la frecuencia de radio en las antenas de transmisión puede medirse con material de núcleo conveniente. Los núcleos muy grandes se usan para sentir haces pulsantes de partículas de alta energía. Algunas sondas de osciloscopio son CTS altamente compensados con un núcleo que puede abrirse para permitir se introduzca un conductor transportador de corriente. Con equipos de devanados modernos para toroides, es posible poner 2000 o más vueltas en un secundario (Coilcraft). El CT entonces comienza a parecer más como un convertidor de corriente a voltaje sin necesidad de valores muy pequeños de resistencia de carga y amplificación de voltaje subsiguiente. La impedancia de salida es alta y requiere el uso de voltímetros electrónicos. La disipación de potencia es baja, incluso para modelos de corriente muy alta. El voltaje de salida es lo bastante alto  que rectificadores de diodos simples pueden usarse para proporcionar una salida DC para procesado posterior. En mochos casos, tal sensor puede ser usado sin ninguna electrónica especial distinta a un voltímetro.

Sensores inductivos gapped

Es práctica común en el diseño de transformadores introducir un pequeño hueco en la trayectoria magnética. Para incluso muy pequeños huecos, las propiedades magnéticas del bucle magnético llegan a estar casi completamente determinados por la longitud del hueco, el resto del material sirve sólo para contener las líneas de flujo. El análisis de tal dispositivo comienza con la compresión de que el campo B es continuo en el núcleo y a través del hueco. El campo H no es, sino que satisface la relación que la integral de la línea de Hdl alrededor del núcleo es igual a la corriente conectada. Para una trayectoria magnética de longitud s en material de permeabilidad μ con hueco g, el ratio B/H, la permeabilidad efectiva viene dada por:


Que se aplica para g mucho más pequeño que s.

Introduciendo un hueco que de otra forma sería un CT y drásticamente incrementando las vueltas del secundario hasta contar 10000 o más, resultando un sensor de corriente que es intrínsecamente seguro porque el núcleo no puede saturarse. Debido a que el campo B es siempre pequeño, el efecto de calentamiento de las corrientes parásitas es menos importante que en los CT. Cuando es cargado con una resistencia apropiada, la alta inductancia del secundario causa que el sensor actúe como una fuente de corriente que genera un voltaje a través de la carga proporcional a la corriente primaria con una linealidad superior al 1 %


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